<발명의 명칭: 튜브형 삼상궤도 진공 자기부상 이동 시스템 Ⅳ>
(The vacuum tube shuttle system with three phase magnetic levitation tracks)
요 약
본 발명은 종래 단상궤도와 이륜바퀴의 기존 철도기술에서 연원하는 단상궤도 자기부상 열차와 진공튜브 열차기술의 문제점을 해소할 수 있는 방안으로, 진공튜브 형상에 7개의 양정현파 주름관을 정육각형 각 변에 연접시킨 육방격자형 다중튜브 구조물로서 각 튜브내 정삼각형 꼭짓점에 삼상(3 phase) 자기부상 궤도(track) 방식의 진공자기부상 이동체 시스템을 제공하며, 또한 상기 자기부상 이동체 시스템에 있어서 튜브셔틀, 교차로, 플랫폼의 구조, 해상 구간의 시공공법, 시스템 운영방법 등을 제공한다.
실 시 예 2
[0221] 제2 실시예에서는 제1 실시예의 양정현파 주름관의 주행튜브(10) 내부를 초음속 혹은 아음속으로 주파하는 자기부상 이동체 시스템인 튜브셔틀(tube shuttle)(20) 시스템에 관한 것이다.
[0222] 도19, 20과 같이 외부형상은 원통 실린더형으로 구성되고 1차원 x축 (-1, 0)과 (1, 0)에 궤도가 위치하는 하이퍼루프, 신칸센, 트랜스래피드 등 기존 2궤도 단상방식과 다른 삼상궤도(13)방식으로 주행튜브(10) 자기편(14)철(凸)에 대응하는 정삼각형 꼭짓점ABC 3개소에 매립형 전자기편(24) 요(凹)를 배치하여 주행튜브(10)와 이동체 체적을 최소화 혹은 생력화(省力化)하는 수단을 포함하게 된다.
[0223] 상기 튜브셔틀(20)의 기본형상은 정삼각형 삼상궤도(13)와 원형 주행튜브(10) 및 원통형 튜브셔틀(20)로 삼각형의 기하학적 특성에 따라 2궤도 단상방식에 비해 50%의 재료가 할증되나 역학적 특성인 부상력과 견인력 및 내진동 특성이 √3배 증강되며 각 궤도에 있어 1/√3의 부상력과 견인력만으로 2궤도 단상부상과 동일한 특성을 가지게 되므로 소용량 영구자석을 활용하는 삼상궤도(3 phase track) 이동체 시스템을 구현할 수 있다.
[0224] 이러한 삼상궤도(13)의 특성은 교류전력 시스템에서 상전압VP과 선전압VL 및 선전류I의 관계식 P=3VPI=√3VLI 와 각 상간 기전력 합이 0이 되는 특성을 갖고 있어 고전압, 저전류로 전기 에너지를 3상회로망으로 송전하여 전력손실 최소화와 부하 불균형을 없애는 대용량 송배전 전력 시스템의 활용예에서 이론적 배경의 유사성을 찾을 수 있다.
[0225] 물리학적 측면을 고찰하면 모든 물체에 작용하는 힘이 평형위치의 변위에 비례할 때 특별한 주기운동이 나타나고, 평형위치가 교란되면 진동이 발생하며 물체에 작용하는 힘FS는 훅의 법칙(Hooke’s law)에 따라
[0226] Fs = –kx(여기서 x: 평형상태 x=0, k: 힘상수)
[0227] 로 정의되고 항상 평형상태(x= 0)를 향하는 복원력(restoring force) 발생한다.
[0228] 또한, 모든 물질은 계의 평형위치(equilibrium position)가 있고 평형위치가 교란되면 진동이 발생하고 훅의 법칙 Fs = –kx 와 뉴턴 제2법칙을 적용하여 살펴보면 –kx=max, ax=-k/m*x 식에서 물체 가속도a는 평형위치로부터 물체의 변위x에 비례하고 변위x와 반대방향의 단조화운동(simple harmonic)을 하게 되며 튜브셔틀 등 자기부상 시스템의 거동도 다름이 없다.
[0229] 삼상궤도(13) 자기부상 방식은 무게중심, 외심, 내심, 수심이 원통 실린더 형상인 튜브셔틀(20)의 중심축인 가상원점 O(0, 0, 0)에 모두 위치하는 안정적인 정삼각형의 기하학적 특성을 이동체에 적용하여, 자기 부상력과 견인력의 벡터합력 및 복원력을 튜브셔틀(20) 중심축으로 이동시켜 안정평형(stable equilibrium) 상태의 주행을 가능케 함으로써 초음속 혹은 아음속 초고속 주행시 이동체의 진동과 섭동(攝動)을 극소화하여 안정성을 향상시킨다.
[0230] 본 삼상궤도(13) 방식의 튜브셔틀(20) 자기부상은 초음속 주행과 자세제어에 유리한 영구자석의 반발력(repulsive force)을 이용한 부상방식을 채택하며, 자기 부상편(144)과 자기 균형편(143) 및 자기 견인편(145)이 xyz축에 2π/3 라디안(120도) 위상으로 배치되는 정삼각형의 특성으로 상하 좌우 전후 3차원 방향으로 자기력을 중심축에 구속하는 기하학적 특성을 보유하게 된다.
[0231] 상기 삼상궤도(13) 방식의 자기부상 이동체 시스템은 부하변동에 강인하고 부상 위치의 변위변화가 작으며 복원력이 원점O(0, 0, 0)으로 작용되어 계(界, system)의 댐핑(damping) 증대로 능동형 자세제어 없이도 안정된 부상 특성을 갖게 되며, 기존 2궤도 단상(single phase)방식의 불안정평형(unstable equilibrium)과 사행동(蛇行動, snake motion)을 방지하는 한편 √3배의 자기 부상력과 견인력을 시현하는 개선점을 갖게 된다.
[0232] 구체적으로 도21의 정삼각형 꼭짓점 A자기편(π/2)을 기준으로 살펴보면 π, 2π 방향의 양 자기 부상편(244)은 xy축의 수평과 수직방향 자기 부상력을 튜브셔틀(20) 원주와 길이(z축) 방향으로 안과 밖에서 구속하고, π/2 방향의 자기균형편(243)과 3π/2방향의 전자기견인편(245)은 튜브셔틀(20) 진행방향(z축)으로 좌우측에서 구속하는 기하학적 형상을 갖게 되어 자기 부상력과 견인력의 자기장(磁氣場) 벡터B를 원점으로 평행이동하면 무게(gravity)중심과 모멘트(moment)의 중심점이 xyz축 3차원 방향 원점O(0, 0, 0)에 집중되어 구속됨을 알 수 있다.
[0233] 상기 전자기편(24)은 도 21의 전자기편뱅크(23) 단면도에서 예시하는바와 같이 튜브셔틀(20) 본체 정삼각형 꼭짓점ABC(π/2,7π/6,11π/6) 3개소에 재료역학적으로 완전 응력보(fully stressed beam)인 포물면(230)의 관통된 홈을 갖는 전자기편 뱅크(23) 혹은 트레인을 구성하여 튜브셔틀의 전단응력을 최대화하고, 반사 망원경이나 파라볼라 안테나와 같이 초점부분에 매립형 전자기편(24)요(凹)를 배치한 후 적층 규소강판 요크부(231)를 포물면에 취부하여 주행튜브 자기편(14)과 셔틀 전자기편(24)에서 발생하는 전자기파를 포물면에서 반사시켜 차폐하는 구조로 셔틀 내부로 유입되는 전자파를 최소화시킨다.
[0234] 튜브셔틀 매립형 전자기편(24)요(凹) 배치형상을 정삼각형 꼭짓점A(π/2) 기준으로 도22를 참조하여 살펴보면, 자기부상편(244)과 자기균형편(243)은 1m 단위 등간격으로 1번~12번에 영구자석 집합편(240)을 전자기뱅크(23) 요(凹)에 배치하되 2번과 11번 자기편은 능동제어전자기편(27)으로 대체되고, 1번~12번 전자기편 편간(片間) 공간의 단위미터 위치 11개소에는 전자기견인편(245)과 회생제동 혹은 전력회생 브레이크 기능과 고속무선 충전기능의 변환코일부(28)가 안치되며, 셔틀 선두와 꼬리부분에는 유선형의 전자기 날개(wing)(22)와 1~12번 전자기편의 빈 공간에 전자기 방사판(29)을 구비한다.
[0235] 도23, 24의 전자기날개(22)는 셔틀 선두와 꼬리부분의 반지름(RS) 138.3820t의 반구(半球)형 해치부(hatch)(21)와 전자기편의 0.3333m 빈공간에 주행튜브(10)의 ╋형 자기편(14)과 π/4 위상각(θ)을 갖는 X자 유선형 전자기 날개(wing)(22)로 자속 분리기(flux splitter)로 역할을 하게 된다.
[0236] 또한, 1~12번 자기부상편(244)과 자기균형편(243) 사이간격 0.6666m와 전자기견인편(245)과 변환코일부(28) 사이간격 0.3333m에는 전자기 방사판(29)을 연속적으로 배치하여 자속을 전자기편 공극(209)내로 반사시키는 자속압축기(flux compressor) 기능으로 주행튜브(10) 삼상궤도(13) 자기편(143, 144, 145)의 자속을 분리하고 압축하여 자기 부상력과 견인력을 증폭시킨다.
[0237] 전자기날개(22)의 자속분리와 압축기능은 내연기관이나 로켓엔진의 터보차저(turbocharger)와 유사한 기능으로 유선형 날개표면을 자화하거나 얇은 냉간압연강판(cold-rolled steel plates) 혹은 전자강판(magnet steel plates)을 취부하면 튜브셔틀(20) 거동시 주행튜브 자기편(14)의 자속(flux)을 각 사분면 45도 각도로 쪼개어 분할(split)하고 유선형 날개의 플럭스포일(flux foil)(220)과 전자기 방사판(29)의 표피효과에 의해 셔틀의 주행 속도에 비례하여 자속흐름이 압축된다.
[0238] 자속분리기(flux splitter)와 자속압축기(flux compressor) 기능은 스테이터 측인 주행튜브(10) 자기편(14)의 자속밀도(Wb/m²)와 자속에너지 밀도(J/m³)가 낮더라도 안정적인 자기 부상력과 견인력을 유지할 수 있게 하며, 상기 효과는 전류나 전자기파가 도체매질의 표면을 따라 전파하는 성질인 전자기 표피효과(skin effect)로 전자기장의 크기가 지수함수적(e^-z, z: 도체깊이, α: 감쇠상수)으로 감소하고 전자파가 평균적으로 침투하는 깊이인 침투깊이δ(skin depth)는 매질표피에서 1/e (37%)인 것을 고려하면 명백하다.
[0239] 또한, 튜브셔틀(20)을 견인 구동하는 전자기견인편(245)과 회생제동 기능의 변환코일부(28)는 1번~12번 전자기편(24) 편간(片間) 공간인 단위미터 위치 11개소에 구비하되, 전자기견인편(245)은 7·8·7개 매립공(140)의 집합편 크기인 폭W:9.9282t*높이H:8t*깊이D:31t 크기의 전자석으로 구비하여 선형스테핑모터(LSM)로 구동하게 된다.
[0240] 변환코일부(28)는 전자기견인편(245) 전후 양편에 3·4·3개 매립공(140) 크기인 폭W:9.9282t*높이H:8t*깊이D:15t의 코일편을 전자기편 뱅크(23)요(凹)에 안치하여 병렬 회생제동 발전과 고속 무선충전 회로를 구성함으로써, 회생 제동력을 확보하고 여객·화물 포트나 셔틀기지 등에서 정차시 고속 무선충전 기능을 제공한다.
[0241] 상기 변환코일부(28)는 튜브셔틀(20)의 감속모드시 회생제동 발전·충전기능으로 관성부하(inertia load)에 의한 병진운동 에너지(Et = 1/2mv²)를 전기에너지(Ee=NBAωsint)로 회수하여 배터리(208)에 충전하여 제동력을 확보함으로써, 초고속 스위칭 주파수로 거동하는 선형스테핑모터(LSM)의 탈조와 공진을 예방하고 셔틀과 주행튜브에 가해지는 진동을 저감시키는 한편, 충방전 능력이 우수한 슈퍼커패시터와 배터리를 조합한 고속 무선충전 기능으로 연비를 향상시킨다.
[0242] 따라서, 고속 무선충전 기능은 여객·화물 포트나 셔틀·정비 기지 등 셔틀 정차장소 주행튜브 삼상궤도(13)의 1m 단위 자기견인편(145) 프레임인 돌출웨브(135)를 세로방향으로 늘린 충전 포스트(136)에 1차 변환코일부(146)와 셔틀 감지센서 등을 부가하여 셔틀 진입시 3상 교류전력 급전(147)과 자동충전 모드로 운영함으로써 에너지 절감과 셔틀 가동률을 향상시킨다.
[0243] 이에 더하여, 2번과 11번 전자기편(24) 위치에 안치하는 능동제어전자기편(27)은 튜브셔틀의 중력자중과 승객·화물 등에 의한 부하변동과 코깅토크 등으로 발생하는 x축 롤(roll, ø), y축 피치(pitch, θ), z축 요(yaw, ψ) 운동에 따른 진동을 자력선속의 세기로 미세 제어하여 자기 부상력과 균형력을 보강하고 증강하여 튜브셔틀(20)의 동적특성을 더욱 개선한다.
[0244] 또한, 무게중심이 궤도상단에 위치하여 곡선구간에서 차륜부상(車輪浮上)과 탈선이 발생하는 단상궤도와는 다르게 정삼각형 꼭짓점ABC에 2π/3 라디안(120도) 위상간격으로 궤도를 배치하는 삼상궤도(13)는, 튜브셔틀(20)의 무게와 모멘트 중심을 궤도 중심점인 원점O(0, 0, 0)에 구속하여 안정평형의 주행이 가능하나, 승차감 개선을 위해 능동제어전자기편(27)으로 셔틀의 틸팅 위상각θt(tilting phase angle)을 보상하는 틸팅(tilting) 제어방법을 추가한다.
[0245] 상기 틸팅(tilting) 제어는 셔틀이 곡선 선로튜브(11)와 회전튜브 주행시 구심력Fc = mgsinθ으로 원심력Fc = mac = mrω²= mv²/r을 상쇄하는 캔트(cant, 突角) 혹은 틸트(tilt) 확보를 위해. 곡률 k=1/ρ=dθ/ds (ρ: 곡률반지름, θ: 회전각, s: 변위)식에서 산출되는 틸팅위상 dθt=ds/ρ 라디안을 능동제어전자기편(27)으로 전자기편 공극(209) 범위(10mm)내에서 반시계방향(+) 혹은 시계방향(-)으로 보상하면 단상궤도에서 캔트를 주는 것과 동일한 효과가 나타나게 된다.
[0246] 상기 능동제어전자기편(27)은 목적상 부상편(244) 24개(4편*3상*2개소)와 균형편(243) 12개(2편*3상*2개소)의 집합형 전자석편 혹은 초전도자석편으로 구성하되, 초정밀 제어를 위해 총 36(24개+12개)개 전자석편이 각기 독립적으로 자속선세기를 조절하는 병렬 제어회로를 구성하여, 2π/3 라디안(120도) 위상간격으로 튜브셔틀의 x(t), y(t), z(t) 변위를 원점O(0, 0, 0)에 복원(restoration)시켜 안정 평형(stable equilibrium) 상태의 삼상궤도(13) 주행을 가능하게 한다.
[0247] 특히 능동제어전자기편(27)의 제어방법은 튜브셔틀(20)의 x(t), y(t), z(t) 변위를 중앙처리장치(central processing unit, CPU)와 움직임과 기울어짐을 인식하는 가속도 센서(모션센서) 및 중앙·권역 관제소의 정보와 통제로, 적재중량·주행속도·궤도상황과 곡선 선로튜브(11)와 회전튜브(30)의 커브구간 틸팅(tilting) 위상각 보상 등을 자속선의 정밀제어로 구속하여, 일반자동차의 전자제어식 현가장치(Electronic Control Suspension System, ECS)와 같은 기능으로 진동이나 충격을 흡수하여 안전성과 승차감을 향상시킨다.
[0248] 이상의 전자기편(24) 취부구조는 주행튜브(10)측 자기편(14)과 같이 모터의 코킹토크 저감대책으로 튜브셔틀(20) z축 세로방향으로 7·8·7개 배열되는 다중 육방격자(✱)형 벌집구조로 챔퍼링된 매립공(137)을 1m 단위로 구비하며, 각 개소당 22개 소형 영구자석 집합편(240)을 분산하여 장착하되 디지털 스위칭 작동소자인 전자기견인편(245)과 능동제어전자기편(27)은 튜브셔틀(20) 내장 배터리(208)로 여자(勵磁)되는 소형 전자석 혹은 초전도 전자석을 분산하여 장착한다.
[0249] 도24는 반구형 해치부(21)의 단면도로, 12m 길이 전자기편(24)을 포함한 몸체(25) 양단에 반지름(RS) 138.3820t의 반구(半球)형 해치부(hatch)(21)에 비상구(emergency exit)(212)를 마련하여 응급·재난시 구난셔틀로 탑승객의 피난통로를 확보하고, 전자기 시건장치가 구비된 도킹부(211)로 군집주행시 타 셔틀과 접속·해제를 수행할 수 있도록 한다.
[0250] 셔틀의 형상치수를 선로튜브(11) 외피(15) 두께인 1t 기준으로 정리하면, 주행튜브(10)와 5t의 셔틀공극(206)을 갖고 반지름(RS) 138.3820t 외경과 12m 길이 전자기편(24)을 포함한 실린더형 몸체(25)와 양단에 반지름(RS)138.3820t의 반구형 해치부(21)와 길이 11.6180t의 전자기 시건장치인 도킹부(211)가 구비되는 길이 15m를 표준형 튜브셔틀(20)의 전장으로, 전자기편(24)의 길이를 15m로 늘린 확장형 튜브셔틀(20)은 18m를 전장으로 채택하여 승객과 화물 수요증가에 대비한다.
[0251] 이동체인 튜브셔틀(20) 본체의 재료는 철 대비 40% 경량화가 가능한 알루미늄혹은 마그네슘 합금강의 고강도 프레임으로 정삼각형 꼭짓점ABC 3개소에 재료역학적으로 완전 응력보(fully stressed beam)인 포물면(230)의 관통 홈을 갖는 전자기편 뱅크(23)를 구성하고, 알루미늄 혹은 탄소섬유 복합재(CFRP) 등의 초경량 소재의 코어(250)와 내외 편평판(25)으로 실린더형 몸체를 구성하면, 구조와 재료역학적인 특성이 원형단면을 갖는 폐구조물(closed structure)인 압력용기(pressure vessel)로 비행기 또는 압축공기 탱크와 동일한 특성을 갖게 된다.
[0252] 원형탱크 압력용기는 원주응력σ1=pr/t(p: 내압, r: 반지름, t: 벽두께)과 축방향응력 σ2=pr/2t이 작용되므로 원주응력(circumferential stress)이 축방향 응력(axial stress)의 두 배가 되며, 셔틀의 내압이 주행튜브의 진공외압을 초과하는 운용여건에 따라 음정현파 주름판(250) 코어와 내외 편평판이 바깥층(face)(25)을 이루는 3중 재료 몸체로 원주응력σ1을 갖게 하고, 양단은 내압을 견디는 이상적 형태인 반구(half sphere)형 해치부(21)로 축방향 응력σ2 특성을 갖게 한다.
[0253] 도20은 튜브셔틀의 단면도로, 음정현파 주름판(250) 코어와 내외 편평판(25)은 0.5t 두께 알루미늄이나 탄소섬유 복합재(CFRP)의 샌드위치판으로 몸체를 형성하되, 코어인 음정형파 주름판(250)의 형상치수는 튜브셔틀(20) 외경 반지름(RT)이 138.3820t 일때 원주면 둘레 869.4797t(2πRT)와 원주면 주름수 180개의 경우 1 리플폭은 4.8304t(869.4797t/180), 리플높이는 2.4152t(4.8304t/2)가 된다.
[0254] 코어인 음정현파 주름판의 마루와 바깥층(face) 혹은 외벽인 편평판(25) 사이 반원형(⌓) 내부공간(251)에 표준(D:18mm*H:65mm 혹은 D:21mm*H:70mm) 원통형 리튬이온 배터리(208)를 배열하고, 호흡용 산소와 초전도 전자석 채택시 액체헬륨 혹은 질소 등을 초소형 실린더형 압력용기(207)에 충전하여 세로방향으로 길게 적재하면, 별도 설치공간 없이 대량 배터리와 기체를 튜브셔틀 몸체 원주면에 폭넓게 분산하여 배치할 수 있어, 별도 적재공간이 소요되는 파우치형 전지와 가스용기의 고집적화로 발생하는 발열과 폭발문제를 해소하고 하중을 이동체 원주표면으로 확산하여 무게중심이 분산되는 부수적 효과를 거양할 수 있다.
[0255] 또한 이동체 원주면 7π/6⇔11π/6에는 보조바퀴(26)와 제어회로(205) 등의 기계장치를 배치하고 π/2⇔11π/6과 π/2⇔7π/6 양 측면에는 셔틀 출입문(202)을 배치하며, π/2 궤도편 양 측면에는 공조설비(203)와 초전도 전자석 구동을 위한 냉각시스템(204)을 구비하며, 상기 자기 부상편(244)과 자기균형편(243)은 Nd계 희토류 영구자석으로, 전자기견인편(245)은 전자석을 구비하여 배터리(208)로부터 여자 전류를 공급받아 전자기력을 생성한다.
[0256] 모든 형태의 발전기나 전동기(motor)는 회전자(rotor)와 고정자(stator) 및 공극으로 구성되는 자기회로에서 릴럭턴스(L)가 최소인 방향으로 유지하려는 특성과 회전자가 구동할 때 자계의 불균형에 의해 발생하는 토크의 최대치와 최소치의 차이값으로 정의되는 맥동토크이자 가진력(excitation force)인 코깅토크(cogging torque)는 진동과 소음의 원인이 되므로 저감대책이 반드시 필요하다.
[0257] 본 발명의 자기부상 이동체인 튜브셔틀(20)은 상기 제1 실시예의 자연계 벌집구조의 집합형 집합편(140) 형상을 로터(rotor) 기능인 이동체에도 그대로 적용하여 소형 링형 영구자석과 전자석을 집합편으로 분산 장착함으로써 정규분포(正規分布)형 자력선 분포 특성을 갖게 하여 자속 에너지 증대와 진동과 소음의 원인이 되는 코깅토크 억제 대책으로 활용한다.
[0258] 정리하면 상기 로터(rotor)인 셔틀의 전자기편(24)요(凹)는 대향하는 주행튜브(10) 자기편(14) 철(凸)과 전자기편 공극(air gap)(209) 1t를 두고 상하 혹은 좌우 2개 링형 영구자석 집합편(240)으로 자기회로를 구성하되, 정삼각형 꼭짓점 A자기편(π/2)을 기준으로 3π/2 방향 돌출웨브(135) 대향위치의 요(凹)는 좌우 2편의 전자석 집합편을 구비하여 전자기견인편(245)의 기능을 담당하게 한다.
[0259] 한편 영구자석 자화 방향을 다르게 배열하는 할박배열(Halbach arrays) 기술을 채용한 수동 자기부상 시스템인 인덕트랙(Inductrack)방식이 하이퍼루프(The Hyperloop)에서 검토되고 있으나, 영구자석 자속(flux)의 정확한 방향 및 배열이 지난한 실용성 문제와, 동일 출력을 얻기 위해 평행 착자형 영구자석 대비 두 배 이상의 체적이 필요하고 동손증가와 역기전력 파형의 고조파 성분이 크게 증가하여 토크가 크게 감소하는 문제와 경년열화(經年劣化)에 의한 감자(demagnetization)특성이 열악한 구조적 문제를 내포하고 있다.
[0260] 따라서 본 발명은 튜브셔틀(20) 전자기편(24)의 구조를 평행착자(parallel magnetization)된 2개 영구자석 직결체결하거나 전자석 후단에 요크(yoke)부(231, 232)를 접속하여 직렬 연결함으로써 1개 전자기편으로 자기회로를 구성하여 누설자속을 최소화하고 유효자속을 증대하여 전자기장 벡터B 선속을 강화한다.
[0261] 튜브셔틀 전자기편(24)의 직렬연결 방법을 정삼각형 꼭짓점 A자기편(π/2)을 기준으로 살펴보면, π, 2π 방향 양 자기부상편(244)과 π/2 방향의 자기균형편(243)은 링형 영구자석의 끝단을 45도 각도로 절단 가공하여 N-S 혹은 S-N극으로 극성을 다르게 프레임(◪◩)에 매립하는 자동체결 방법으로 조립하면, 직각이등변 삼각형 한 꼭짓점 혹은 모가 잘린 사각형의 집합편으로 되어 챔퍼링된 직렬 영구자석 집합편(240)으로 완성된다.
[0262] 또 구조적으로 열린 전자기 회로가 되는 튜브셔틀 원점방향 π, 2π 양 자기부상편(244)과 3π/2 방향 전자기견인편(245)은 포물면 원호의 형상에 따라 사다리꼴의 사각형으로 모가 잘린 챔퍼링된 영구자석편 및 전자석편을 구비한 후, 후단부를 강자성체인 적층 규소강판 요크(232)로 접속하여 누설자속φ(leakage flux)이 발생하지 않도록 한다.
[0263] 상기 3π/2 전자기견인편(245)은 튜브셔틀에 내장된 리튬이온 배터리(208) 등 고용량 배터리 전원에서 여자전류를 공급받아 변조한 스위칭 펄스를 인가하여 NS극을 교호 스위칭 함으로써 스테이터인 주행튜브(10) 돌출웨브(135)의 영구자석인 자기 견인편(145)과 선형스테핑모터(LSM) 방식의 구동력을 발생시킨다.
[0264] 따라서, 상기 자기부상 이동체인 튜브셔틀(20)은 주행튜브(10)측 1m 단위 플렌지(131)와 1/3m 단위 ╋ 형 자기편 프레임(130)으로 구성되는 대시선(dash line) 형상(- – -) 불연속 디지털 삼상궤도(3 phase track)의 자기편(140) 철(凸)과 동기를 유지하며 스위칭 주파수에 따라 전진 또는 후진하는 선형스테핑모터(LSM)방식의 구동형태를 특징으로 한다.
[0265] 선형스테핑모터 구동방식은 제어펄스 신호에 따라 특정각도 만큼 회전하는 동기전동기로 1초당 입력펄스 수(펄스 레이트)에 비례하는 속도제어로 기동, 정지, 정-역회전, 변속이 용이하며 주행거리의 오차가 누적되지 않고 정지시 매우 큰 정지토크(detent torque)를 갖는 등 본 발명의 1m 단위 불연속 디지털 궤도 특성과 잘 부합되고 디지털 제어회로와 조합이 용이하므로 수치제어(numerical control, NC) 통합관제와 인공지능(AI) 제어시스템 구축이 비교적 용이하게 된다.
[0266] 한편, 비행기와 같이 튜브셔틀(20)의 출발·도착과 서행·정차 혹은 비상시에 튜브셔틀 실린더 Ⅲ, Ⅳ사분면에 보조바퀴(auxiliary wheel)(26)를 장착하여 바퀴 내림 모드로 전환하면, 제1 태양 보조궤도(auxiliary track)(16)에 마찰력으로 구동하는 ‘활주주행 모드’ 기능을 구비함으로써 튜브셔틀의 출발·도착·화물적재·정비·격납·충전기능을 보조하게 한다.
[0267] 도12는 보조궤도(16)와 ‘활주 주행모드’의 보조바퀴(26)를 예시하며, 보조바퀴는 튜브셔틀 원주면 Ⅲ사분면은 4π/3, Ⅳ 사분면은 5π/3에 위치시키고 바퀴간 윤거(輪距, tread)는 π/3의 원호길이를 갖게 함으로써 튜브셔틀(20)을 정육각형에 내접시킬 경우 환산되는 현의 길이와 같으며 본 발명의 바퀴간 윤거 형상치수는 튜브셔틀(20)의 반지름(RS)인 138.3820t로 주어진다.
[0268] 상기 보조바퀴(26)와 활주주행 모드의 필요성은 물리학적으로 ‘물체의 가속도α는 질량m에 반비례하고 물체에 작용한 힘F에 비례한다’는 뉴턴의 제2법칙(Newton’s second law)
[0269] a∝ΣF/m , ΣF =ma 과
[0270] 벡터 표현인 세 개의 성분식으로 나타낸
[0271] ΣFx=max ΣFy=may ΣFz=maz 을
[0272] 관련지어 고찰하면 튜브셔틀(20)의 바퀴내림에 의한 활주주행 모드는 xy축의 추가 부상력과 z축의 추가 견인력을 제공하여 튜브셔틀의 가속도a와 힘F을 증대시켜 과도상태(transient state)의 불안정평형(unstable equilibrium) 시간을 단축하는 이론적 기반이 된다.
[0273] 위의 이론은 ‘관성기준틀(inertial frame of reference)에서 볼 때, 외력이 없으면 정지해 있는 물체는 정지상태를 유지하고, 등속직선 운동하는 물체는 계속해서 그 운동 상태를 유지한다’ 는 뉴턴의 제1법칙에 따라 튜브셔틀(20)의 활주주행 모드와 전자기견인편(245)의 이중 주행모드 운행으로 정상상태 응답(steady state response)과 안정평형(stable equilibrium) 상태인 정격 등속운동 상태 도달 소요시간을 단축하는 요소기술로 활용할 수 있게 된다.
[0274] 튜브셔틀(20)의 활주주행 모드는 출발과 도착 및 서행주행 등 과도상태(transient state)운행에 한하여 적용하며, 셔틀 외피(25)와 음정현파 주름판(250) 코어 사이에 내장된 리튬이온 배터리(208)에서 보조바퀴(26) 구동동력을 공급받아 선형스테핑모터에 인가되는 펄스 주파수와 동기되는 바퀴굴림 모드로 구동한다.
[0275] 보조바퀴(26) 구동방식은 구동축(266)과 베어링(267)을 구비한 스테핑모터인 로터(268)와 스테이터(269)를 휠인모터(wheel in motor)(260)에 내장하며, 15m 표준길이 튜브셔틀 좌우에 2개씩 4개 보조바퀴(26)를 장착하여 부하 균등화(load balancing) 및 과도상태(transient state) 운행시 전자기견인편(245)의 거동을 보조하는 이중주행 모드로 운용한다.
[0276] 보조바퀴(26)의 단면형상과 치수는 제1실시예의 보조궤도(16)인 5개 리플 턱과 오목형(凹) 홈(◠◡◡◡◠) 폭인 26.1795t (5.2359t*5)로 하고 3개 철(凸)의 트레드(tread)(161)와 2개 어깨(shoulder)부(163)를 접지면으로 하는 볼록형(┗◡◡◡┛)의 형상(261, 262)을 취하며, 크기는 2πR = 2m의 원주율을 갖는 반지름 0.318309m(R=1/π) 크기의 바퀴(26)를 채택한다.
[0277] 따라서 보조바퀴(26) 1/2 회전(π) 당 주행거리(L=2πR)를 주행튜브(10)측 플랜지(131) 길이인 1m와 동일한 활주주행 거리를 갖게 하되 휠인모터(260)의 스테핑모터(268, 269) 인가 펄스는 전자기견인편(245) 인가 펄스를 정수배(整數倍)로 체배(遞倍)하는 마이크로 스텝 운전으로 부드러운 출발(soft start)과 정지로 승객과 셔틀에 가해지는 충격을 완화한다.
[0278] 고출력 선형스테핑모터(LSM)는 필연적으로 수반되는 구동초기 과도한 코깅토크(cogging torque)의 저감대책이 필요하고 셔틀의 출발·정지와 가속·감속과 같은 과도상태는 자기부상 궤도와 이동체 운행의 불안정성 문제를 야기하게 되므로 보조궤도(16)와 보조바퀴(26)를 활용한 이중주행 모드는 삼상궤도(13)에 의한 원점 복원력을 기계적 평형과 균형으로 보조하는 유효적절한 해법이다.
[0279] 이상의 튜브셔틀(20) 보조바퀴(26)는 비행기가 이륙에 필요한 양력을 얻기 위해 활주로를 주행하는 것과 같이 튜브셔틀(10)의 활주주행은 안정평형에 이르는 관성력(慣性力, inertial force)획득과 선형스테핑모터(LSM)의 로터(rotor)인 전자기견인편(245)의 코깅토크 저감과 진동 및 섭동 등의 파동에너지를 선로튜브(11)와 튜브댐퍼(19)를 통해 대지로 환류시키는 불요 에너지파 접지 통로(channel)의 기능을 갖게 된다.
[0280] 상기 실린더 형상 자기부상 튜브셔틀(20)은 출발·가속·등속운행·감속과 회생제동·정지와 같은 셔틀운행의 전 과정을 표준 스테핑 각도(길이)인 1m 단위 거리를 주행하는 펄스개수로 조절하는 단일요소 함수 알고리즘과 수치제어(numerical control, NC)에 의한 통합관제를 실시하여 셔틀운행의 인공지능(AI) 시스템 운행시 직관성과 프로그램의 용이성을 갖게 한다.
[0281] 바람직하게는 튜브셔틀(20)은 12m 단위 길이의 전자기편(24)을 갖는 15m 표준 이동체로 구성하여 진공 주행튜브(10)측 1m 단위 표준궤도와 동기를 맞추며, 인가되는 스위칭 펄스 개수만으로 단위구간 운행을 완성하는 직관적인 수치제어 체계와 중앙과 권역별 관제소의 인공지능(AI) 프로그램으로 목적하는 노선으로 스위칭되는 자율주행(autonomous driving) 시스템으로 구현함이 바람직하다.
[0282] 요약 정리하면, 본 발명의 실린더형 선형스테핑모터(LSM)방식의 자기부상 이동체인 튜브셔틀(20)은 양정현파 주름관 주행튜브(10)에 내접하는 정삼각형 꼭짓점ABC(π/2, 7π/6, 11π/6)의 자기편(140)철(凸)과 이에 대향하는 튜브셔틀(20)의 매립형 자기편(240)요(凹)가 정삼각형으로 정렬되는 삼상궤도(13) 방식이다.
[0283] 이는, 삼상궤도(13) 방식의 자기편(140, 240) 요철(凸凹)간 균등한 척력의 작용으로 3차원 원통좌표계의 가상원점O과 중심축으로 반발력을 구속함으로써, 튜브셔틀의 무게중심과 모멘트중심의 벡터합력과 복원력이 z중심축에 구속되고, 단상 부상방식보다 궤도 재료비는 50% 할증되나, √3배의 부상력과 견인력 및 내진동 특성을 갖게 되므로 1/√3의 부상력과 견인력만으로 2궤도 단상부상과 동일한 특성을 가지게 된다.
[0284] 기존 2궤도 단상(single phase) 자기부상 기술은 1차원 x축 (-1, 0), (1, 0)에 궤도가 위치하고 사각형 이동체 구조로 정지시 중립평형(neutral equilibrium)과 운행시 불안정평형(unstable equilibrium)상태의 기하학적 특성으로 무게중심(center of gravity)과 모멘트중심(center of moment)이 이동체 원점O에 집중되지 않아 초고속 운행시 이륜궤도와 바퀴에서 나타나는 사행동(蛇行動, snake motion)과 유사한 진동이나 섭동이 나타나는 문제점을 내포하고 있다.
